Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих процессов в условиях фоновой засветки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Тригуб, Максим Викторович

• Тригуб, Максим Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Тригуб, Максим Викторович

Введение 4

ГЛАВА 1. Активные среды на парах металлов в активных оптических системах 14

1.1 Активные оптические системы с усилителями яркости на парах металлов 14

1.2. Активные элементы на парах металлов 28

1.2.1. Усилительные характеристики 28

1.2.2. Частота следования импульсов 35

Выводы по гл.1 36

ГЛАВА 2. Приборы и техника эксперимента 38

2.1. Конструкции активных элементов, используемых в качестве усилителей яркости 39

2.1.1. ГРТ с традиционной накачкой 39

2.1.2. ГРТ с емкостной накачкой и внутренним реактором галогенида металла 41

2.2. Схемы накачки 44

2.2.1. Схемы накачки на основе полупроводниковых коммутаторов 49

2.3. Методы и приборы для измерения (регистрации) характеристик лазерного излучения и электрических импульсов 53

Выводы по главе 2 57

Глава 3. Усилители яркости на парах галогенидов металлов 58

3.1. АОС с усилителями яркости на парах бромида меди (с традиционной и емкостной накачкой) 58

3.2. Усилительные характеристики активных сред на основе лазеров на парах галогенидов металлов большого диметра 65

3.3. Система покадровой регистрации изображения 72

3.3.2. Измерение усилительных характеристик с помощью лазерного монитора с покадровой регистрацией изображения 79

3.4. Особенности работы АЭ в режиме усилителя яркости изображения 81

3.4.1. Работа АЭ без добавки НВг 82

3.4.2. Работа АЭ с добавкой НВг 86

3.5. Высокочастотный усилитель яркости 89

3.6. Активные среды на парах галогенидов металлов с внутренним реактором галогенида 92

3.6.1. Усилительные характеристики АЭ на парах хлорида меди с внутренним реактором галогенида с емкостной накачкой 93

3.6.2. АЭ с внутренним реактором галогенида на переходах атома Мп с традиционной накачкой. 96

Глава 4. Лазерный монитор на основе активной среды на парах бромида меди 101

4.1. Высокоскоростной лазерный монитор с покадровой регистрацией изображения 101

4.1.1. Расчет оптической схемы 101

4.1.2. Контраст получаемых изображений 105

4.1.3. Методы улучшения контраста 106

4.1.4. Определение перемещений объекта 109

4.2. Визуализация процессов, экранированных фоновой засветкой 113

4.2.1. Расчет уровня засветки 114

4.2.2. Визуализация объектов и процессов, экранированных внешней фоновой засветкой 120

4.2.3. Визуализация процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (случай собственной засветки) 122

4.3. Действующий образец лазерного монитора 125

4.3.1. Источник накачки с импульсным зарядом рабочей емкости 125

4.3.2. Активный элемент 131 Выводы по главе 4 134 Заключение 136 Литература 138 Приложение 1. Акты использования результатов работы в Отделе

структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и в учебном процессе на кафедре ПМЭ ИНК ТПУ. 145

Приложение 2. Патенты на изобретение и на полезную модель 147 Приложение 3. Расчет источника накачки для действующего образца лазерного монитора 149

Приложение 4. Метод лазерной подсветки 156

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих процессов в условиях фоновой засветки»

Актуальность работы

В настоящее время развитие новых технологий зачастую связано с использованием мощных потоков энергии (лазерное излучение, потоки частиц и т.д.), которые взаимодействуют с различными объектами. К ним можно отнести плазмоиндуцированные процессы, модификацию поверхностей материалов с целью улучшения эксплуатационных характеристик, получение новых материалов, в том числе, наноструктур, процессы сварки и т.д. При этом, для выявления дополнительной информации позволяющей, например, оптимизировать нанесение покрытий, необходимо наблюдать за состоянием поверхности непосредственно во время нанесения. Особенности таких процессов - малые размеры области воздействия, высокая скорость протекания, наличие экранирующей засветки (как правило, широкополосной), интенсивность которой может достигать значительных величин, не позволяют проводить их визуализацию в режиме реального времени. Для решения задачи визуализации наиболее предпочтительными являются активные оптические методы неразрушающего контроля с использованием индуцированного излучения. К таким методам относятся лазерная подсветка и системы с усилителями яркости изображения [1].

Системы с усилителями яркости изображения - активные оптические системы (АОС) получили широкое распространение в 70 - 80 года 20 века, когда применялись, в основном, для получения увеличенных изображений на больших экранах. С развитием современной проекционной техники интерес к ним снизился. Однако важная особенность подобных систем - возможность наблюдения процессов в условиях мощной фоновой засветки, за счет высокой спектральной яркости излучения, с высоким временным разрешением стала активно использоваться с появлением на рынке высокоскоростной регистрирующей аппаратуры - высокоскоростных цифровых камер. Одним из первых, кто предложил использовать подобные системы для наблюдения процессов, протекающих в условиях мощной фоновой засветки в режиме реального времени был И.И. Климовский [2]. Он же ввел термин лазерный монитор для подобных систем.

Большинство ранних и современных работ посвящено использованию

АОС с усилителями яркости на самоограниченных переходах атома меди для

наблюдения различных процессов [3-5]. Активные элементы на парах галогенидов меди, в том числе, с добавками НВг, имеют более предпочтительные характеристики и параметры: меньшие рабочие температуры, большие частоты следования импульсов (ЧСИ) и т.д. Использование таких элементов позволит увеличить временное разрешение АОС, упростить конструкцию и, как результат, разработать приборный вариант подобного устройства.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка высокоскоростного лазерного монитора на основе активной среды на парах бромида меди, позволяющего наблюдать объекты и процессы, экранированные мощной широкополосной фоновой засветкой, с высоким временным разрешением.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать результаты исследований АОС с усилителями яркости на парах металлов, а так же примеры их использования для наблюдения различных процессов и объектов;

2. Показать возможность использования в качестве усилителя яркости активных элементов на парах бромида меди с различными типами накачки (традиционной и емкостной) и способами создания активной среды;

3. Разработать систему, позволяющую проводить визуализацию процессов в каждом импульсе сверхсветимости, со скоростью, равной ЧСИ усилителя яркости;

4. Исследовать усилительные характеристики активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов при различных режимах накачки, различных концентрацях паров рабочего вещества и добавки НВг,

5. Разработать аппаратно-программный комплекс (скоростной лазерный монитор), включающий в себя активный элемент, источник накачки, систему регистрации, программное обеспечение;

6. С помощью разработанного устройства провести визуализацию объектов и реальных процессов, протекающих в условиях широкополосной фоновой засветки.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались, в основном, экспериментальные методы исследования, которые включали в себя:

-исследование энергетических, частотных, спектральных и временных характеристик сверхизлучения и генерации лазеров на парах галогенидов металлов;

- измерение электрических параметров импульсно-периодического разряда в смесях СиВг-Ке-НВг (Н2) в широком диапазоне частот следования импульсов накачки от 15 до 100 кГц;

- измерение коэффициента усиления активных сред на парах металлов с различными способами создания и возбуждения;

высокоскоростную регистрацию и обработку изображений, формируемых за время, равное времени сверхизлучения усилителя яркости, с использованием современного фоторегистрирующего оборудования и программного обеспечения, определение контраста изображений.

Анализ предельных характеристик фоновой засветки и расчет оптических схем проводились с использованием матричных методов в области Гаусса.

На защиту выносятся следующие положения 1. Использование активной среды СиВг-лазера с добавкой НВг (0.15-0.2 торр) совместно со схемой синхронизации усилителя яркости и скоростного регистратора позволяет визуализировать процессы,

экранированные широкополосной фоновой засветкой с временным разрешением до 10 мкс.

2. Условия работы активных элементов на парах галогенидов металлов для получения контрастного изображения в режиме усилителя яркости отличаются от условий, обеспечивающих получение максимальной средней мощности генерации лазера. Отличие заключается в меньшей концентрации паров рабочего вещества (CuBr) и активной добавки (НВг) при работе в качестве усилителя яркости.

3. Активные элементы на переходах атомов металлов с внутренним реактором галогенида имеют такие же усилительные характеристики (усиление до 100 дБ/м), что и элементы с традиционным способом создания активной среды на парах металлов и их галогенидов, и могут быть использованы в качестве усилителя яркости в лазерных мониторах

4. Разработанный аппаратно-программный комплекс (скоростной лазерный монитор) позволяет получать изображения объектов и процессов со скоростью съемки до 50 тыс.кадров/с, формируемые одним импульсом сверхизлучения, с локальным контрастом от 10 до 100% и пространственным разрешением до 1 мкм.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы

Достоверность защищаемых положений подтверждается применением общепринятых методик измерения параметров разряда и генерации, использованием современной регистрирующей аппаратуры (осциллографы Tektronix TDS3054C, LeCroyWJ 324, измеритель тока - Pearson Current Monitors 8450, высоковольтный пробник - Tektronix Р6015А, измеритель мощности Ophir 30C-SH, измерители импульса генерации ФЭК-22, Thorlabs DET 10А/М), высокоскоростной регистрирующей аппаратуры (Fastec HiSpec 1, MotionPro ХЗ), современного программного обеспечения (MATLAB,

7

1та§е1). В качестве тестовых объектов для визуализации использовались

дифракционные решетки, камера Горяева, оптические миры. Научная новизна

1. Реализован режим покадровой регистрации изображения в лазерном мониторе при синхронизации усилителя яркости на парах галогенида меди и скоростного цифрового регистратора от источника накачки активного элемента.

2. На основе исследований усилительных характеристик активных элементов с различными типами накачки (традиционной и емкостной) и различными способами создания активных сред показано, что в качестве усилителей яркости изображений, наряду с традиционными, могут использоваться среды с внутренним реактором галогенида металла и емкостной накачкой.

3. Впервые, с использованием лазерного монитора, проведена визуализация процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) на примере горения различных смесей: №-А1, «Саянская» и др., что дает необходимую информацию о механизме формирования металлокерамических материалов, в условиях фоновой засветки.

Практическая значимость научных положений и результатов

работы

1. Разработан действующий образец устройства на основе активного элемента на парах бромида меди, позволяющий осуществлять неразрушающий визуальный контроль изделий и быстропротекающих процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой, яркостная температура которой может достигать 4-104 К.

2. Предложен метод экспресс-оценки профиля усиления активной среды, позволяющий исследовать усилительные характеристики активного элемента без использования задающего генератора.

3. Разработанный макет лазерного монитора допускает работу с другими активными средами, в частности, на парах бромида марганца, с внутренним реактором галогенида металла.

4. Использование предложенной системы покадровой регистрации изображения позволяет визуализировать процессы и объекты с временным разрешением до 10"5 сек. Каждый кадр формируется за время, равное длительности импульса сверхсветимости усилителя яркости (2-10)Т0~8 сек.

Личный вклад автора состоит в:

■ проведении экспериментальных исследований и обработке полученных экспериментальных данных;

■ проведении модельных расчетов;

■ создании действующего образца устройства.

Постановка задач исследований, анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором, либо при его определяющем участии.

В работе на разных её этапах принимали участие сотрудники ИОА СО РАН и Томского политехнического университета Федоров В.Ф., Шиянов Д.В., Торгаев С.Н., Губарев Ф.А., магистранты кафедры ПМЭ ТПУ Дашинимаева Е.З., Красников И.В. Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:

1. XVII, XVIII, XIX симпозиумах "Лазеры на парах металлов", Лоо-Сочи, 2008, 2010, 2012;

2. International Conference and Seminar "Micro/Nanotechnologies and Electron Devices", г. Новосибирск, 2011, 2012;

3. I, II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Инновации в неразрушающем контроле SibTest", г. Горно-Алтайск, 2011, пос. Листвянка 2013;

4. IX, X, XI International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers"-AMPL, Tomsk, Russia, 2009, 2011, 2013;

5. Молодежной школе-конференции с международным участием "Лазеры и лазерные технологии", г. Томск, 2010, 2012;

6. II Международной научно-практической конференции молодых ученых "Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений" г. Томск, 2010;

7. XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference, Sofia, 2010;

8. XXXI International Scientific Conference "Electronics and Nanotechnology" ELNANO, Киев, 2011;

9. XV, XVI, XVII, XVIII, XIX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2009-2013.

10.VIII Российской конференции "Современные средства диагностики плазмы и их применения", г. Москва, НИЯУ МИФИ, 2012.

11. XIII, XV Всероссийских конференциях «Диагностика высокотемпературной плазмы», г. Звенигород, 2009, 2013.

12. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технология. Инновация», Новосибирск, 2011.

13. XIII международная научно-техническая конференция «Измерения, контроль, информатизация-2012», Барнаул, 2012.

14. На семинарах лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН и кафедры промышленной и медицинской электроники ГПУ.

Результаты исследований включены в отчеты по грантам Минобрнауки, АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проект №2.1.2/1425

10

«Активные среды на парах галогенидов металлов для создания скоростных лазерных мониторов», 2009-2011гг., Президента РФ МК-4438.2012.8, Государственному заданию Минобрнауки № 7.586.2011 «Аппаратно-программный комплекс на основе лазерного монитора для неразрушающего контроля и диагностики», 2012 -2014 гг. Результаты работы легли в основу индивидуального гранта «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (У.М.Н.И.К., 2009-2011 гг.).

Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 10 печатных работах в рецензируемых изданиях из Перечня ВАК. Получен патент РФ на изобретение и патент на полезную модель. Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Общее число публикаций по теме - 31.

Структура и краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 116 ссылок и четырех приложений. В работе 157 страниц, включая 82 рисунка и 4 таблицы.

Во введении обсуждается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены защищаемые положения. Приводится краткое содержание работы, отмечается практическая значимость и научная новизна.

В первой главе проведен литературный обзор работ по теме исследования. Рассматриваются области применения активных оптических систем с усилителями яркости на парах металлов. Описаны основные особенности подобных систем. Практически во всех работах, где АОС применяются для наблюдения за реальными объектами и процессами, используются активные элементы на парах меди, которые имеют ряд недостатков в сравнении с элементами на парах бромида меди. Рассмотрены работы, проводимые в тот же период времени, что и настоящая работа, где так же применялись современные скоростные регистраторы. Большое

11

внимание уделено рассмотрению возможных конструкций усилителей яркости.

Во второй главе представлены приборы, методы и техника экспериментов, используемые оптические схемы - лазерного проекционного микроскопа и лазерного монитора. Для регистрации изображений использованы как стандартные камеры Casio EX-FH10, так и профессиональные скоростные: MotionProX3, Fastec HiSpecl. Представлено описание используемого программного обеспечения.

Приводятся конструкции и описание активных элементов и источников накачки. Предложенная конструкция источника накачки с полупроводниковыми коммутаторами позволила получить ЧСИ 120 кГц на ГРТ малого объема. Так же представлена схема с импульсным зарядом рабочей емкости, позволяющей увеличить ресурс коммутационного элемента (тиратрона).

Третья глава посвящена исследованию усилительных характеристик активных сред на переходах атомов металлов с различными способами возбуждения и их создания с целью выявления режима, обеспечивающего получения изображений с максимальным контрастом и полем зрения. Рассматривается возможность использования АЭ с различными способами возбуждения и создания активной среды для работы в АОС.

Приведены результаты тестовых экспериментов по визуализации различных объектов (дифракционные решетки, металлические сетки, биологические объекты).

Четвертая глава посвящена разработке и апробации действующего образца скоростной АОС на тестовых и реальных объектах и процессах. Действующий образец включает в себя источник накачки, активный элемент, схему синхронизации. В качестве объектов исследований были выбраны следующие процессы: горение бенгальской свечи, взаимодействие С02-

лазера со стеклом, СВС. В качестве внешней засветки использовалась дуга постоянного тока.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении 1 представлены акты использования результатов работы в Отделе структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и работы в учебном процессе на кафедре ПМЭ ИНК ТПУ.

В приложении 2 представлены патенты на изобретение и полезную модель.

В приложении 3 представлен расчет источника накачки действующего макета лазерного монитора

В приложении 4 приведены результаты использования разработанного макета для наблюдения процессов СВС с помощью метода лазерной подсветки.

ГЛАВА 1. Активные среды на парах металлов в активных оптических системах

В настоящее время востребованными становятся системы, позволяющие визуализировать процессы с высоким временным разрешением. На рынке появляются скоростные регистраторы, обеспечивающие большие скорости съемки - до 2-106 кадров/с. Однако ряд процессов, в частности, получение новых материалов, в том числе наноструктурированных, обработка материалов и модификация поверхностей, нанесение покрытий, лазерное воздействие на биологические объекты, получение материалов с заданными свойствами при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) и др. связаны с воздействием высококонцентрированных потоков энергии с объектами. Все эти процессы характеризуются наличием широкополосной фоновой засветки и высокой скоростью протекания. Как следствие, их наблюдение затруднительно с помощью традиционных методов визуализации - высокоскоростная съемка, микроскопия и др.

Использование активных оптических систем (АОС) с усилителями яркости позволяет наблюдать процессы, протекающие в условиях фоновой засветки с эквивалентной температурой абсолютно черного тела свыше 103 К. При условии, что усилитель яркости обладает высокой степенью монохроматичности (высокой спектральной яркостью) сверхизлучения.

1.1 Активные оптические системы с усилителями яркости на парах металлов

Отличительной особенностью активной оптической системы является наличие усилителя яркости, что позволяет получить больший оптический сигнал на выходе системы, чем на входе. Подобный эффект достигается использованием усилителя яркости, который, в частном случае, представляет собой активную среду лазера. В работах [7, 8] были сформулированы

требования к среде, используемой в качестве усилителя яркости изображения:

1. среда усилителя должна быть оптически однородной, что исключает искажения передаваемой информации;

2. высокое усиление, позволяющее работать без резонатора (режим сверхсветимости);

3. геометрические размеры и угловая апертура должны обеспечивать прохождение световых пучков без потерь оптической информации;

4. выходная мощность усилителя должна быть достаточной для практического применения (визуальный контроль);

5. работа активной среды в непрерывном или импульсном режиме.

Описанным требованиям наиболее полно удовлетворяют атомные газовые

среды ввиду их однородности и возможности получения высокой степени монохроматичности (высокой спектральной яркости) излучения. Несмотря на это, первые эксперименты по использованию усилителей яркости изображения были проведены с однонаправленным рубиновым усилителем бегущей волны [9]. В работе [10] реализован усилитель с использованием толстой линзы, которая изготовлена из рубинового стекла. Получение усиленного по яркости изображения объекта с помощью активной среды неодимового лазера сообщается в работе [11].

Использование активных сред газовых лазеров для создания АОС впервые продемонстрировано в работе [12]. В экспериментах использовали гелий — неоновый лазер и пары однократно ионизированной ртути в полом катоде. Подобные системы не получили широкого распространения из-за низкого качества получаемых изображений и сложности в реализации.

Лазеры на парах металлов, в частности на парах меди, стали применяться в качестве усилителей яркости начиняя с 1973 - 1974 годов [13]. Преимущества лазеров на парах металлов, в частности на парах меди: высокая однородность (газовая среда), рекордное усиление (достигает

100 дБ/м.), возможности работы с высокой частотой повторения импульсов (ЧСИ) - десятки-сотни кГц в видимом диапазоне спектра, делают их наиболее подходящими для использования в качестве усилителей яркости изображения (квантовых усилителей). Основным сдерживающим фактором широкого использования данных активных сред являлась высокая температура, необходимая для создания требуемого давления паров. Предложенный в работе [14] метод саморазогрева, заключающийся в использовании тепла, выделяющегося в разряде, для подержания рабочей температуры, позволил частично решить данную проблему. Именно лазеры на парах металлов, прежде всего меди, в дальнейшем использовались в качестве усилителей яркости в активных оптических системах.

В работе [13] представлено устройство, позволяющее получать увеличенное и усиленное по яркости изображение объекта на большом экране. В качестве оптического усилителя применялся лазер на парах меди, работающий в режиме сверхсветимости (без резонатора), ЧСИ 10 кГц. Схема показана на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Схема лазерного проекционного микроскопа

Принцип действия заключается в следующем. Объект наблюдения размещается в плоскости П и через объектив О освещается излучением сверхсветимости усилителя яркости (АС). Свет, отраженный от объекта, собирается объективом О, после чего попадает в активную среду, в момент,

когда там еще имеется инверсная населенность. В результате происходит усиление яркости изображения, которое проецируется на экран (Э). Таким образом, на основе лазеров на парах металлов, работающих в режиме сверхсветимости, можно строить АОС, способные обеспечить высокие увеличения микрообъектов и формировать их изображения высокой яркости на больших экранах [8]. Устройство получило название лазерный проекционный микроскоп. Данную работу можно считать началом использования АОС с усилителями яркости - лазерных проекционных микроскопов

Помимо получения изображения в отраженном свете (рис. 1.1.), возможно использование микроскопии в проходящем свете. Она получила распространение при исследовании прозрачных препаратов и объектов с малым контрастом, у которых различные участки структуры по-разному поглощают свет (тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, тонкие шлифы минералов, тонкие пленки и т.д.). Т.е. то, что распространено при производстве изделий в микроэлектронике и наноэлектронике, решении задач биологии и медицины, материаловедения. В работе [15] предложена схема лазерного проекционного микроскопа с зеркальным конденсором для получения изображения объекта в проходящем свете. Схема представлена на рисунке 1.2.

Рис. 1.2. Лазерный проекционный микроскоп в проходящем свете.

Устройство обладает преимуществами АОС с усилителями яркости и

позволяет наблюдать объекты с малым контрастом. Здесь 1 - конденсор, 2 —

объект наблюдения, 3 - объектив в оправе 4, 5 - усилитель яркости

(активный элемент), 7 - экран. Эффективное усиление составляло от 10700

до 1700 при входных мощностях от 4 до 300 мкВт соответственно, что

17

достигается за счет свойств активных сред на парах металлов. Следовательно, можно получать высокие мощности сигналов, несущих изображения, при малом уровне освещенности объекта, что является неоспоримым преимуществом АОС с усилителями яркости на парах металлов. Они позволяют получать большие линейные увеличения, причем формирование изображения происходит, как в отраженном, так и в проходящем свете.

Малая освещенность объекта наблюдения в АОС особенно востребована при визуализации биологических объектов, т.к. позволяет минимизировать деструктивное воздействие. В случае наблюдения биологических объектов, подвергающихся различного рода воздействиям (освещение, коагуляция и т.д.), возникает экранирующая засветка, затрудняющая микроскопию. Логичным решением уменьшения освещенности и избавления от экранирующего действия фоновой засветки является использование лазерных проекционных микроскопов. В работе [16] представлены результаты первых исследований биологических систем с помощью лазерного проекционного микроскопа, построенного на основе активной среды Си лазера с ЧСИ 12 кГц, поле зрения составляло от 1.2 мм до 0.15 мм, максимальное увеличение 6500. Наблюдение статических объектов не вызывало трудностей (срезы тканей, волосяные луковицы и т.д.), однако, при попытке визуализации живых объектов, стали проявляется недостатки лазерных проекционных микроскопов - чувствительность к паразитным отражениям, которые, в результате усиления, формируют фон на изображении. При наблюдении живого объекта происходит паразитное рассеяние и отражение от физиологического раствора, но оптимизация схемы позволила получить изображение гигантских нейронов виноградной улитки [16] с достаточно хорошим контрастом.

Не менее важными достоинствами усилителей яркости на парах металлов, в частности на парах меди, являются высокая ЧСИ и малая

длительность импульса генерации. Эти особенности позволяют наблюдать процессы с высоким временным разрешением. В работе [17] усилитель яркости на парах меди работал с ЧСИ 11 кГц, длительность импульса порядка 15 не. В качестве входного объектива использован стандартный объектив микроскопа «Биолам». Предлагаемая в работе схема позволяла получить контрастное изображение прозрачного биологического объекта. Для регистрации изображений использовалась высокоскоростная фотографическая установка ВФУ - 1, скорость вращения зеркал выбиралась так, чтобы изображения от двух соседних кадров не перекрывались. В результате получено резкое увеличение временной разрешающей способности при сохранении высокого пространственного разрешения. Анализ изображений позволил расширить известный диапазон периодов колебательных процессов микроструктур, происходящих в реальных условиях живой клетки [17].

Несмотря на неоспоримые преимущества, применение лазерных проекционных микроскопов в ряде случаев невозможно, например, при наблюдении объектов, расположенных в плоскостях сложной формы. Существенное расширение возможностей систем с усилителями яркости могло дать использование волоконных жгутов, позволяющих получать усиленные по яркости изображения отдельных участков внутренних органов [18]. Удалось достигнуть пространственного разрешения 20 мкм. Несмотря на потребность в подобных системах, широкого распространения они не получили. И причиной тому является сложность оптической схемы и паразитные обратные связи (блики) от оптических элементов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тригуб, Максим Викторович, 2013 год

Литература

1. Оптические системы с усилителями яркости / Под. ред. Г.Г. Петраша. - М.: Наука, 1991. - (Труды ФИАН, Т. 206) - 152 с.

2. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. - Новосибирск: Наука, 1985. - 152 с.

3. Э.И. Асиновский, В.М. Батенин, И.И. Климовский, В.В. Марковец. Исследование областей замыкания тока на электродах слаботочной угольной дуги с помощью лазерного монитора // Техника высоких температур. - 2001. - Т.39. - №5. - с.794.

4. Бужинский Р. О., Савранский В.В., Земсков К.И., Исаев А. А., Бужинский О.И. Наблюдение объектов в условиях сильной фоновой засветки от плазмы // Прикладная физика. -2009г. -№3._ С. 96-98

5. Yermachenko V.M., Kuznetsov А.Р., Petrovskiy V.N., Prokopova N.M., Streltsov A.P., Uspenskiy S.A. Specific features of the welding of metals by radiation of high-power fiber laser // Laser physics. - 2011 . - No 8. - Vol. 21.- PP 1530-1537.

6. Юсупов P.A., Максимов Ю.М., Китлер В.Д. Закономерности технологического горения порошковых систем на минеральной основе при получении пористых композиционных материалов // Физика горения и взрыва. - 2002. - Т. 38. - № 5. - С. 85-89.

7. Пасманик Г.А., Земсков К.И., Казарян М.А. и др. Оптические системы с усилителями яркости. / ИПН АФ СССР. Горький, 1988. 173 с.

8. К.И. Земсков, A.A. Исаев, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш. Исследование основных характеристик лазерного проекционного микроскопа // Квантовая электроника. - 1976г. - T.3. -№1. -с. 35-42

9. Geusic J.Е., Skovil H.E.D. A unidirectional traveling wave optical masers // Bell. Syst. Techn. - 1962. - T.5. - №41. - P. 1371

10. Lanczi E.R. Amplification in a thick ruby lens // Appl. Opt. - 1965. - T.5. - №2. -

P.255.

11. Басов Н.Г., Грасюк A.3., Зубарев И.Г., Тевелев JI.В. Регенеративные оптические квантовые усилители // Труды ФИАН. - 1965. - T.31. - с.74.

12. Hardy W.A. Active images formation in lasers // IBM J. Reas and develop. - 1965. -T.9. - №1. - P.31.

13. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Лазерный проекционный микроскоп // Квантовая электроника . - 1974. - Т.1. - №1. - с.14.-15

14. Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации // Письма в ЖЭТФ. - 1972. - Т. 16. - №1. -С.40.

15. К.И. Земсков, М.А. Казарян, В.В. Савранский, Г.А. Шафеев. Лазерный проекционный микроскоп в проходящем свете // Квантовая электроника. -1979г.- Т.6.-№11-С.2473-2475

16. Ф.В. Бункин, К.И. Земсков, М.А. Казарян, М.А. Кондратьев, Ф.А. Логачев, Г.Г. Петраш, А.М, Прохоров, В.В. Савранский, И.Н. Сисакян, Г.А. Ситников. Проекционная система с усилителем яркости для целей биологии и медицины. // ДАН СССР. - 1978г. -Т.243. - №6. - С.1568 - 1572.

17. С.Л. Загускин, A.A. Никитенко, Ю.А. Овчинников, A.M. Прохоров, В.В. Савранский, В.П. Дегтярева, В.Н. Платонов. О диапозоне периодов колебаний микроструктур живой клетки. // ДАН СССР. - 1984г. -1211. - №6. - С.1468 - 1474.

18. B.C. Алейников, Ф.В. Бункин, Е.М. Дианов, К.И. Земсков, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш, A.M. Прохоров, В.В. Савранский. Волоконный жгут в оптической системе с усилителем яркости // ДАН СССР. - 1984г.- Т. 274. - №6. - С. 1373 - 1377

19. Little С.Е. Metal Vapor Lasers: Physics, Engineering & Applications. - Chichester (UK): John Willey & Sons Ltd., 1998. - 620 p.

20. К.И. Земсков, М.А, Казарян, В.М. Матвеев, Г.Г. Петраш, М.П. Самсонова, A.C. Скрипиченко. Лазерная обработка объектов с одновременным визуальным контролем в системе генератор-усилитель на парах меди// Квантовая электроника. - 1984г. - Т. 11. - №2. -С.418 - 422.

21. И.Г. Блинов, К.А. Валиев, Г.Г. Петраш, С.И. Ребров, В.В. Савин. Лазерный проекционный микроскоп ....

22. Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. - М.: Мир, 1967.

23. Г.В. Абросимов, М.М. Польский, В.Б. Саенко. Использование лазерной среды для фотографирования поверхностей, закрытой слоем плазмы // Квантовая электроника. 1988г.- Т. 15. - №4. - С.850 - 851

24. Д.В. Абросимов, А.Ф. Галкин, И.И. Климовский, В.Г. Прокошев, С.Ф. Трубицын, С.М. Аракелян. Визуализация процесса сварки оптических волокон при помощи лазерного усилителя яркости // Письма в ЖТФ. - 1996г. - Т.22. - Вып. 17 - С.6 - 10

25. Пат. №96122044. РФ. G02B6/255. Способ контроля волоконных световодов /

B.Г. Прокошев, И.И. Климовский, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, А.Ф. Галкин, A.B. Григорьев //Б.И.- 1999г.

26. В.М. Батенин, И.И. Климовский, Л.А. Селезнева. Исследование поверхностей электродов угольной дуги во время ее горения. // Доклады Академии наук СССР. - 1988г. -Т.303. - №4. - С.857 - 861.

27. Э.И. Асиновский, В.М. Батенин, И.И. Климовский, В.В. Марковец. Исследование областей замыкания тока на электродах слаботочной угольной дуги с помощью лазерного монитора // Техника высоких температур. - 2001. - Т.39. - №5. - С.794-798.

28. Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова C.B., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия ТПУ - 2008г. - Т.312. - № 2. -

C.97-100.

29. В.М. Батенин, В.Ю. Глина, И.И. Климовский, Л.А. Селезнева. Применение оптических систем с усилителями яркости для исследования поверхностей электродов из графита и пирографита во время горения дуги // Теплофизика высоких температур. - 1991г. -Т.29. -№6. - С.1204-1210

30. В.Г. Прокошев, И.И. Климовский, А.Ф. Галкин, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян. Визуализация процесса лазерной обработки материалов при помощи усилителя яркости на основе лазера на парах меди // Известия АН. Сер. Физическая. - 1997г.- Т.61. - №8. - С. 15601564

31. Д.В. Абрамов, С.М. Ареклян, А.Ф. Галкин, Л.Д. Квачева, И.И. Климовский, М.А. Кононов, Л.А. Михалицын, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Савранский. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000К // Письма в ЖЭТФ. - 2006г. -Т.84. - №5. - С.315-320.

32. Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, И.И. Климовский, А.О. Кучерик, В.Г.Прокошев. Визуализация и восстановление рельефа области лазерного воздействия на поверхность графита // Известия РАН. Сер. Физическая. - 2006 - Т.70. -№3. - С.422-425

33. Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.И. Лазерная и электролучевая обработка материалов. / Справочник. - М.: Машиностроение. - 1985г. - 496с.

34. В.И. Денисенко, В.Г. Прокошев, Д.В. Абрамов, А.Ф. Галкин, И.И. Климовский, С.М. Аракелян. Динамические процессы при лазерном упрочнении покрытий из хрома // Теплофизика высоких температур. - 1998г.- Т.36. - №4. - С. 674-676

35. С.Н. Багаев, В.Г. Прокошев, А.О. Кучерик, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, И.И. Климовский. Гидродинамика расплава поверхности металла при лазерном воздействии; наблюдение смены режимов в реальном времени // ДАН. - 2004г.- Т.395 - №2. с. 183-186

36. V.G. Prokoshev, D.V. Abramov, S.U. Danilov, S.I. Shishin, A.V. Chizhov, S.M. Arakelian. Real time diagnostics of the laser-induced thermochemical processes and nonlinear

images on the surface of materials" experiment and mathematical modeling // Laser physics. - 2011. -Vol. 11. -№11. -PP. 1167-1171.

37. Д.В. Абрамов, C.M. Ареклян, И.И. Климовский, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев. Способ и результат восстановления рельефа поверхности, эволюционирующей под действием лазерного излучения // Оптика атмосферы и океана. - 2006. Т. 19. - №2 - С.206 - 211.

38. D.V. Abramov, S.M. Arakelian, A.F. Galkin, I.I Klimovskii, A.O. Kucherik, V.G. Prokoshev. A laser-induced process on surface of a substance and their laser diagnostics in real time // Laser physics. - 2005. - Vol.15. - №9. - PP. 1313-1318

39. Д.В. Абрамов, C.M. Ареклян, А.Ф. Галкин. И.И. Климовский, A.O. Кучерик, В.Г. Прокошев. О возможности исследования временной эволюции рельефа поверхностей, подвергающихся воздействию мощных потоков энергии, непосредственно во время воздействия. // Квантовая электроника. - 2006г. - Т.36. - №6. - С.569.

40. В.Г.Прокошев, Д.В. Абрамов, А.О. Кучерик, С.М. Аракелян, И.И. Климовский. Гидродинамические неустойчивости и волны, индуцированные импульсно-периодическим лазерным излучением на поверхности вещества // Известия РАН. Сер. Физическая. - 2006г. -Т.70. -№3. - с. 354-360.

41. Прокошев В.Г. Микро- наноструктуры и гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой микроскопии: Дисс. ... доктор физ.-мат.наук. Владимир. 2009г. 310с.

42. Аракелян С.М. Микроструктуры, наноструктуры и гидродинамический неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел: монография / С.М. Аракелян, В.Г. Прокошев, Д.В. Абрамов, А.О. Кучерик. - 2010. -Владимир. - 144с.

43. А.П. Кузнецов, P.O. Бужинский, K.JI. Губский, А.С. Савелов, С.А. Саранцев, А.Н. Терехин. Визуализация плазмоиндуцированных процессов проекционной системой с усилителем яркости на основе лазера на парах меди // Физика плазмы. - 2010г. - Т.36. - №5. -с.463-472.

44. V.M. Yermachenkoa, А.Р. Kuznetsova, V.N. Petrovskiya, N.M. Prokopova, A.P. Strel'tsov, S.A. Uspenskiya. Specific features of the welding of metals by radiation of high-power fiber laser // Laser physics. - 2011. - Vol.21. - №8. - PP. 1530-1537

45. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры // Успехи физ. наук. - 1971. -Т. 105. - Вып.4. - С.645-676.

46. Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Молодых Э.И., Климовский И.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - Москва: Научная книга, 1998. -544 с.

47. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди. - Москва: Физматлит, 2005. - 312 с.

48. Pulsed Metal Vapor Lasers: Proceeding of the NATO Advanced Research Workshop on Pulsed Metal Vapour Lasers - Physics and Emefging Applications in Industry, Medical and Science, St. Andrews (UK), Aug. 6-10, 1995 / Little C.E., Sabotinov N.V. Dordrecht, 1996. 479 p.

49. Fowles G.R., Silfvast W.T. High-gain laser transition in lead vapor // Appl. Phys. Lett. - 1965. - Vol.6. - Nol2. - P.236-237.

50. Piltch M., Walter W.T., Solimene N., Bennet Jr. Pulsed metal transition in manganese vapor // Appl. Phys. Lett. - 1965. - Vol.7. - Noll. - P.309-310.

51. Walter W.T., Piltch M., Solimene N., Gould G. Pulsed laser action in atomic copper vapor // Bull. Amer. Phys. Soc. - 1966. - Vol.11. - Nol. - P.113.

52. Walter W.T., Solimene N., Piltch M., Gould G. Efficient pulsed gas discharge lasers // IEEE J. Quantum Electron. - 1966. - V.2. - No9. - P.474-479.

53. Konagai C., Kimura H., Aoki N., Kobayashi N., Iizuka S., Baba I. Development of high-power copper vapor laser amplifier // Proc. 15th Ann. Meeting Laser Soc. Jpn. Osaka. Laser Soc. - Jpn. 1995. - Vol.15. - P.112.

54. Бохан П.А., Герасимов В.А. Оптимизация условий возбуждения в лазере на парах меди // Квантовая электроника. - 1979. - Т.6. - №3. - С. 451 -454.

55. Walter W.T. Pulsed laser action at 6123 A in gold vapor // IEEE J. Quantum Electronics. - 1968. - Vol. 4. - No2. - P. 355.

56. Deech J.S., Sanders J.H. New self terminating laser transitions in calcium and stroncium // IEEE J Quantum Electronics. - Vol. 4. - No7. - P. 474.

57. Исаев A.A., Ищенко П.H., Петраш Г.Г. Импульсная генерация на переходах с резонансного на метастабильный уровень в парах таллия // Письма в ЖЭТФ. - 1967. - Т.6, №5.-С. 619-622.

58. Исаев A.A., Петраш Г.Г. Новые линии генерации и сверхсветимости на парах свинца // Письма в ЖЭТФ. - 1969. - Т. 10. - №4. - С. 188-192.

59. Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Новая линия сверхсветимости в парах золота // Краткие сообщения по физике. - 1972. - №3. - С. 3-5.

60. Baron K.U., Stadler В. New visible laser transition in Ba I and Ba II // IEEE J. Quantum Electronics. - 1975. - Vol.11. - Noll. - P. 852-854.

61. Бохан П.А., Соломонов В.И. Лазер на парах бария с высокой средней мощностью излучения // Письма в ЖЭТФ. - 1978. - Т.4. - №20. - С. 1210-1213.

62. Бохан П.А., Климкин В.М., Прокопьев В.Е., Соломонов В.И. Исследование лазера на самоограниченных переходах атома и иона европия // Квантовая электроника. -1977. - Т.4. — №1. — С. 152-154.

63. Маркова C.B., Петраш Г.Г., Черезов В.М. Импульсная генерация на линии 472.2 нм атома висмута // Квантовая электроника. - 1977. - Т.4. -№5. - С. 1154-1155.

64. Linevski M.J., Karras T.W. An iron-vapor laser // Appl. Phys. Lett. - 1978. - Vol.33.

- No8. - P. 720-721.

65. Герасимов В.А., Прокопьев B.E., Соковиков В.Г., Солдатов А.Н. Новые линии генерации в видимой и ИК областях спектра в лазере на парах тулия // Квантовая электроника. - 1984. - Т. 11. - N 3. - С. 624-626.

66. Павлинский A.B. Исследование лазеров с косвенным возбуждением верхних лазерных уровней: Дисс. на соиск. учен. степ. к. ф.-м. н. / ИОА СО РАН. - Томск, 2003. - 123 с.

67. Земсков К.И. Усилители яркости изображения в проекционных оптических система: Дис. ... канд. физ. - матемт. наук. Москва. 1983. 184с.

68. A.A. Исаев. Спектральный состав индуцированного излучения импульсного лазера на парах меди // Квантовая электроника. - 1980г. - Т. 7. - №3. - с. 599 - 608.

69. М.М. Калугин, E.H. Кузьминова, С.Е. Потапова. Исследование усиления активных сред на переходах атомов меди // Квантовая электроника. — 1981г.— Т.8. — №5. — С. 1085 - 1089

70. М.А. Казарян, В.М. Матвеев, Г.Г. Петраш. Проекционная система с усилителем яркости и автономным источником освещения // Известия академии наук СССР. Сер. Физ. -1982г.- Т.46. - №10. - с. 1898-1904.

71. К.И. Земсков, A.A. Исаев, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш. Исследование основных характеристик лазерного проекционного микроскопа // Квантовая электроника. - 1976г. - Т.З. -№1.-с. 35-42.

72. Григорянц А.Г., Казарян М.А., Лябин H.A. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения. М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2005г. - 3 12с.

73. М.А. Казарян, В.М. Матвеев, Г.Г. Петраш. Взаимодействие световых пучков в активной среде усилителя яркости на парах меди // Квантовая электроника. - 1984г. — Т. 11. — №5.-С. 932-935

74. Ф.В. Бункин. К.И. Земсков, М.А. Казарян, В.М. Матвеев, Г.Г. Петраш, В.В. Савранский, Г.А. Шафеев. Саморегуляция мощности и образование негативного изображения в освещающем пучке лазерного проекционного микроскопа // Квантовая электроника. - 1981г.

- Т.8. - №6- с. 13 72 - 1373

75. К.И. Земсков, М.А. Казарян, В.М. Матвеев, Г.Г. Петраш. Исследование характеристик негативных изображений в оптических системах с усилителями яркости на парах меди // Квантовая электроника. - 1983г. - Т. 10. - № 11. - с.2278-2283

76. Д.Н. Астаджов, Н.К. Вучков, К.И. Земсков, A.A. Исаев, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш, Н.В. Саботинов. Активные оптические системы с усилителем на парах бромида меди. \\ Квантовая электроника. - 1988г. - Т. 15. -№4. с.716-719.

77. К.И. Земсков, М.А. Казарян, Т.И. Пехошкина, А.Н. Трофимов. Проекционная система с усилителем яркости на парах хлорида меди // Квантовая электроника. - 1979г. - Т.6. .- №2 - С.391 - 394

78. Казарян М.А., Петраш Г.Г., Трофимов А.Н. Импульсные лазеры на парах галогенидов меди//Труды ФИАН. 1987г. Т. 181.-С. 194.

79. Алаев М.А., Баранов А.И., Верещагин Н.М., Гнедин И.Н. Лазер на парах меди с частотой повторения импульсов излучения 100 кГц // Квантовая электроника. 1976г. Т.З. №5. С. 1134-1135.

80. Fahlen T.S. High pulse rate mode-locked copper vapor laser // IEEE J. Quantum Electron. 1977r. Vol.13. No3. P.546-547.

81. Солдатов A.H., Федоров В.Ф. Лазер на парах меди с частотой следования импульсов до 230 кГц//Известия вузов. Физика. 1983г. Т.26. №9. С.80-84.

82. Евтушенко Г.С., Петраш Г.Г., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. CuBr-лазер с частотой повторения импульсов до 300 кГц // Квантовая электроника. - 1999г. - Т. 28. - №3. -С. 220-222.

83. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. Лазер на парах бромида меди с высокой частотой следования импульсов // Квантовая электроника. - 2002г. Т.32. №8. С.680-682.

84. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Федоров В.Ф. Частотные характеристики CuBr-лазера // Оптика атмосферы и океана. - 2000г. - Т. 13. - №3. - С. 254-257.

85. Ф.А. Губарев, В.Ф. Федоров, Г.С. Евтушенко, В.Б. Суханов, С.С. Заикин. Лазер на парах бромида меди с частотой следования импульсов 400 кГц // Известия Томского политехнического университета. - 2008г. - Т. 312. - №12 - С.106-108.

86. Nekhoroshev V. О. , Fedorov V. F. , Evtushenko G. S. , Torgaev S. N. Copper bromide vapour laser with a pulse repetition rate up to 700 kHz // Quantum Electronics. 2012. Vol. 42 №.10 P. 877-879

87. Нехорошее B.O., Федоров В.Ф., Евтушенко Г.С., Торгаев С.Н. Лазер на парах бромида меди с частотой следования импульсов до 700 кГц // Квантовая электроника - 2012г. -Т. 42.-№ 10.-С. 877-879

88. Губарев Ф.А. Лазер на парах галогенидов металлов с накачкой емкостным разрядом. Дис. ... канд. физ.-матем. наук. Томск. 2008. 161с.

89. Шиянов Д.В., Суханов В.Б., Евтушенко Г.С., Ткаченко Н.Ю. Лазер на парах иодида меди с внутренним реактором//Оптика атмосферы и океана. 2012г. Т.25. №8. С.721 -726.

90. Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Молодых Э.И., Климовский И.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - Москва: Научная книга, 1998. -544 с.

91. Димаки В.А., Андриенко О.С., Троицкий В.О. и др. Лазер на парах бромида меди малой мощности // Оптика атмосферы и океана. - 2004г. - Т. 17. - №11. - С.890-894.

92. Казарян М.А., Петраш Г.Г., Трофимов А.Н. Импульсные лазеры на парах галогенидов меди//Труды ФИАН. - 1987г. Т. 181.- С.54-121.

93. Патент РФ №2236075 Активный элемент лазера на парах металлов. Патентообладатель: Томский политехнический университет. Авторы: Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Климкин В.М., Погребенков В.М., Суханов В.Б., Федоров В.Ф

94. Sabotinov N.V., Vutshkov N.K., Astadjov D.N. Gas laser discharge tube with copper halide vapors, USA patent, №4635271, Dated Jan. 6, 1987.

95. Astadjov D.N., Dimitrov K.D., Jones D.R., Kirkov V., Little L., Little C.E., Sabotinov N.V., Vuchkov N.K. Influence on operating characteristics of scaling sealed-off CuBr lasers in active length // Optics Communications. - 1997. - Vol. 135. - P. 289-294.

96. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Суханов В.Б., Бочков В.Д., Кудинов В.Н. Экспериментальное исследование влияния добавок водорода на частотные и энергетические характеристики CuBr-лазера // Известия Томского политехнического университета. 2004г. Т.307. №3. С.74-77.

97. Gubarev F.A., Sukhanov V.B., Evtushenko G.S., Fedorov V.F., Shiyanov D.V. CuBr Laser Excited by a Capacitively Coupled Longitudinal Discharge // IEEE J. Quantum Electronics. 2009. Vol.45. No2. P.171-177.

98. Фогельсон Т.Б., Бреусова JI.H., Вагин Л.Н. Импульсные водородные тиратроны. -М.: Сов. Радио, 1974,- 212 с., ил.

99. Иванов Е.В., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю. Магнитотранзисторный генератор для питания лазера на парах бромида меди // Приборы и техника эксперимента. - 2006г. - № 1.-С. 88-91.

100. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. Лазер на парах бромида меди с высокой частотой следования импульсов. // Квантовая электроника. - 2002г. -Т. 32,-№8.-С. 680-682.

101. Суханов В.Б., Татур В.В. Эксплуатационные характеристики CuBr-лазера с транзисторным коммутатором. // Известия Томского политехнического университета. - 2008г. - Т. 312. -№ 2. - С. 108-110.

102. Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог./ Под ред. Г.Т. Петровского. - М.: Дом оптики, 1990. - 228с., ил.

103. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. - Ленинград: Наука, 1974.- 108 с.

104. Андриенко О.С., Губарев Ф.А., Димаки В.А., Иванов А.И., Левицкий М.Е., Суханов В.Б., Троицкий В.О., Федоров В.Ф., Филонов А.Г., Шиянов Д.В. Лазеры на парах бромида меди нового поколения//Оптика атмосф. и океана. 2009г. Т. 22. №10. С. 999-1009.

105. Филонов А.Г. О влиянии добавки НВг на характеристики излучения лазера на парах CuBr // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23. №7. С. 608-613.

106. Андриенко О.С., Суханов В.Б., Троицкий В.О., Шиянов Д.В. «Активный элемент лазера на парах галогенида металла»//Патент на изобретение (России), №2420844, 2011.

107. D.V.Shiyanov, V.B.Sukhanov, N.V.Tkachenko, G.S. Evtushenko. Cul vapor laser with in-built reactor. Conference Abstracts. Atomic and Molecular Pulsed Lasers. Tomsk, Russia, September 12-16, 2011. P. 27-28.

108. Jones D.R., Maitland A., Little C.E. A high-efficiency 200 W average power copper HyBrlD laser // IEEE J. Quantum Electron. - 1994. - Vol.30. - №10. - P.2385-2390.

109. Герцбергер M. Современная геометрическая оптика / M. Герцбергер. - М.: Иностранная литература, 1962. -487 с.

110. ImageJ. Image Processing and Analysis in Java [Электронный ресурс] / ImageJ resources. - Режим доступа http://rsbweb.nih.gov/ij/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 01/07/2013)

111. D. М. Tsai and С. Т. Lin. Fast normalized cross correlation for defect detection [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://machinevision.iem.yzu.edu.tw/vision/tech/correlation2-FastNormalized.pdf /, свободный. -Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 01/06/2013)

112. Любутин П.С., Панин С.В., Сапожников С.В., Самырякин В.И. Программа построения векторов смещений и оценки деформации поверхностей твердых тел. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2004612276. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 06.10. 2004

113. Information at the foundation of modern science and technology from the Physical Measurement Laboratory of NIST [Электронный ресурс] / CODATA Recommended Values of the

Fundamental Physical Constants. - Режим доступа:

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ. (дата обращения 01/07/2013)

114. Isaev A.A., Jones D.R., Little С.Е., Petrash G.G., Whyte C.G., Zemskov K.I. Characteristics of pulsed discharges in copper bromide and copper HyBrlD lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1997. V. 33. N6. P. 919-926.

115. Astadjov D.N., Sabotinov N.V., Vuchkov N.K. Parametric Study of the CuBr Laser with Hydrogen Additives//IEEE J. Quantum Electron. 1988. V. 24. №9. P. 1927-1935.

116. Торгаев C.H., Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Шиянов Д.В. Моделирование CuBr-Ne-HBr-лазера при высоких частотах следования импульсов накачки // Изв. ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 9. С. 54-60.

Приложение 1. Акты использования результатов работы в Отделе структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и в учебном процессе на кафедре ПМЭ ИНК ТПУ.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

|Ч|Й1|ёЯ Ä-"Иt:i- *1 1

634050, г. Томск, % Tomsk Polytechnic University

пр. Ленина, 30. ТПУ . Щ,Щй щ • 30, Lenin Avenue.'

Россия 4 Tomsk, 634050. Russia

r ^

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

ТОМСКИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИНСТИТУТ НЕ РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ Ш^п

Тел. [phone] Факс: [phone]. УФК по Томской области р/с 40501810500002000002 вГРКЦГУ Ванка России по Томской области г.Томск БИК 046902001 _ИНН 7018007264 ТПУ л/с 20656У20Ш ОКНО 02069303: К-шай: [e-mail]

4M Où - î*A> К_Ка---' ./gfWfQ

На №__ от _

Акт использования результатов диссертационной работы Тритуб М.В. 14 Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстр'опротёкающих процессов в условиях фоновой засветки"

Настоящим < актом подтверждаем, что часть результатов диссертационной работы Тригуб М.В. включена в -курс "Квантовая и оптическая -электроника" для студентов 3-го и 4-го курсов кафедры Промышленной, и медицинской электроники Института неразрушающего контроля НИ ТПУ. В лекционный курс введен раздел - "Активные оптические системы с усилителями яркости на парах галогенидов металлов". Также часть результатов представлена в лабораторном практикуме работой -"Получение изображений с помощью лазерного монитора".

Зам. зав. кафедрой ПМЭ

Проректор-дире|5Юр>ИНК^ ' ';

Исполнитель Тригуб М.В: Тел- 8-90J-953-79J7

»V?

•^fef* 4 '-U*

Ярославцев E.B.

Клименов В.А.

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ТОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

? Й^Ф

(ТНЦ СО РАН)

634021, Томск, пр.» Академический| 10/4 е-таи* ргегкшпд кс го

,,/г/ф (8-3822) 491173 (приемная) т/ф^(8-3822) 492713 (канцелярия) 4 Для телеграмм Томск-55, наука

Исх К» УУ от ¿У июня 2013 г.

У

«^^држдаю»

удела

жинетики ТН11 СО РАН '^'Максимов Ю М

Акт внедрения

Ц, ? А Настоящим актом подтверждаем, что результаты диссертациониои работы «Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих

* % ¥ А

.-процессов» в условиях фоновой засветки» Тригуба Максима Викторовича внедрены в Отделе структурной* гмакрокинетики ТНЦ СО РАН для исследований реакций •самораспрортраняющегося высокотемпературного синтеза (СВС)

' Методика,* разработанная Тригубом М.В ,!» позволяет осуществлять прямое наблюдение быстропротекающих процессов спекания материалов в условиях высокой температуры (1000 - 2500 °С), что дает важную" информацию о механизме формирования функциональных металлоксрамических материалов в волне СВС.

Результаты совместных работ доложены на конференциях и представлены в статье в

\

рецензируемом издании

От ТГ1У

Ироректор-дирекгор Института неразрушающего контроля Клименов В А

Зав. каф. П МЭИНК

Аспирант

Евтушенко Г С

Тригуб М В

От ОСМ ТНЦ СО РАН

физической активации Кирдяшкин А И. Научный сотрудник

КитлерВ Д

Приложение 2. Патенты на изобретение и на полезную модель

08.09.13

РОССИЙСКАЯ ФВДЕРАЦЮЧ

Патент на изобретение №2463634

(19) RU ) (51) МПК

G02B21/00 (2006.01)

2463634*3) С1

ФВДВ>АЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛВСГУАЛЬНОЙ СОБСТВЭ#ЮСТИ, ПАТЖТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2013 - действует Пошгмна:

(21). (22) Заявка: 2011120852/28,24.05.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 24.05.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 24.05.2011

(45) Опубликовано: 10.10.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаре нова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г., Шаманская ЕЛ. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода II Известия Томского политехнического университета. 2008.

Т.312. № 2. С.97-101. JP 2010054391 А, 11.03.2010. KR

100843620 В1, 03.07.2008. JP 6075169 А, 18.03.1994. RU 2144204 C1,10.01.2000.

Адрес для переписки:

634050, г.Томск, пр. Ленина, 30, ГОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", отдел правовой охраны результатов интеллектуальной деятельности

(72) Автор(ы):

Тригуб Максим Викторович (ОД, Евтушенко Геннадий Сергеевич (ЯЦ), Губарев Федор Александрович (1*11), Торгаев Станислав НЫколаевич (ГШ)

(73) Патентообладатель^):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" ((?Ц)

(54) ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Лазерный проекционный микроскоп содержит лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения. Лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связан с полупроводниковым источником накачки, система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной ССО-камеры, установленной соосно с лазерным усилителем и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки. Технический результат - повышение точности контроля и анализа исследуемых процессов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

российская федерация

(19) В| -ПЧ 1(11

1268523 111

<55? М1К

в0282Ш0 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ С Л УЖ БА ПО ИНГГетПВГГУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ЛАТШТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12> ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

Статус: по данным на 27 08.2013 - может прекратить свое действие

Пошкна:

<21 (22) Заяаха; 2012145583/23. 25.10.2012 (72) Аз тор(Ы]: Тригуб Максим Викторович <Ш),

¡24! Дата начала отсчета ершэдеЯетв><я пэтечта: Евтушенко Геннадий Сергеевичей;!,

25.10 Л 812 губерев Федор Александрович (геи).

Г|йИ0р«Та1<!>||' Торга®в Станислав Николаевич

(22) Саге подачи заяа.«с 25.10.2012 (ТЗ) патентообладателей):

|45) ОпуЙгаатаазяк 10 04 2013 Федеральное государственно* бюджетное образовательное учреждение высшего

Адрес для переписки: профессионального образования "Национальный

634050, г.Томск, пр. Пенима, 30. ФГБОУ ВПО исследовательский Томский политехнический

"Нацйональиый »©следовательский Томский университет" (ЯЩ

лолитехиичеехиа университет". отдел прея.

охраны результатов мнтепл. деятельности

(54) ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП

Формула полезной модели Лазерный проекционный микроскоп, содержащий лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой стороны размещены система формирования изображения и система регистрации изображения, лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меду и связан с полупроводниковым источником накачки, система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной ССО-камеры. установленной соосио с лазерным усилителем и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки, отличающийся тем, что межцу системой формирования изображения и системой регистрации изображения установлен набор светофильтров, в котором последовательно расположены интерференционный полосовой светофильтр на одну из длин воли генерации лазерного усилителя и нейтральные светофильтры, обеспечивающие ослабление фона ниже уровня чувствительности СОО-камеры.

Приложение 3. Расчет источника накачки для действующего образца лазерного монитора

Расчет шунтирующей индуктивности

В пробитом состоянии сопротивление газоразрядной трубки (ГРТ) составляет единицы Ом. Для определенности примем ее равной 5 Ом. Реактивное сопротивление индуктивности в момент пробоя должно быть минимум на порядок больше. Пусть реактивное сопротивление шунтирующей индуктивности будет в десять раз больше сопротивления ГРТ в пробитом состоянии. Время фронта импульса выходного импульса не должно превышать 25 не, что соответствует частоте 0.02 ГГц. Из

уравнения Хь = со • I получаем: 2л- • /

Ь = 2.5 мкГн

Для расчета количества витков дроселя воспользуемся формулой:

Jr ,L- (25.4^ + 22.9/)

N - 1

R2

Ь(мкГн) =-Ь—--R = 0.5см

25.4 r(cm) + 22.9/(см)

/ = 25см N = 55

Расчет силового трансформатора на кольцевом сердечнике

Источник должен нормально функционировать на частотах от 15кГц до 50кГц. Трансформатор должен передавать разнополярные импульсы специфической формы с коэффициентом заполнения 0.2 - 0.5. При этом с увеличением частоты длительность импульсов остается постоянной. Следовательно, худший случай будет наблюдаться на частоте 50кГц, когда действующее значение напряжения и тока будут максимальными. Таким образом, следует рассчитать трансформатор на частоте работы 50000Гц.

Так как импульсы напряжения и тока имеют специфическую форму, то необходимо рассчитывать трансформатор, отталкиваясь от общих формул.

dt dt Ф(0 = B{t) ■ Sem

U](t) = W\-Scm-Kcmd^-

dt

' 1 '

f dB =- f U, (t)dt

J W1 • Sem ■ Kern J

—oo —oo

i >

B{t) = B0+-f U, (t)dt

Wl-Sem- Kern { 1

i '

AB =-f U. (t)dt

W1 • Sem ■ Kern {

Um • tu

2-W\-Scm- Kern Um ■ tu

АВ--

2 ■ т ■ АВ ■ Кет Выведем формулу для расчета Бок

Считаем в МаШСас! действующие значения токов пользуясь формулой:

id= e]I2№

\1 О

1д1 = 12.08А 1д2 = 0.302А

ТА 1

Swl = Snpl-Wl=—Wl

J

ТА О

Sw2 = Snp2 -W2 =-W2

J

Idl TT„ Id2 rir. . T

— Wl +-Wl ■ N

Swl + Sw2 j J lldl-Wl

SOK =-= —---=-

Kok KOK J • Кок

Um-tu- Idl 8 4

So к Sem =-= 17.15 • 10 m

AB ■ Kern ■ Kok ■ J

Выбираем сердечник K70X50X10

Sok = 1.96 • 10~3Я22

Sem = 10 4m2

SokScm = 1.9610"7

Тогда первичные витки равны:

fn =-^-= 54

2 • А5 • Sem • Kern

W2 = 54•40 = 2160 Считаем диаметры проводов:

dl = 1 ЛЗл/si = 1 ЛЗу^- = 2.25 Л0~3 m

I [АО

Й?2 = 1ЛЗл/52 =1.13 J— =0.36 10"3т Проверяем коэффициент заполнения окна: = = 0.222

Рассчитаем индуктивность намагничивания трансформатора:

ц - Sem ■ Кет • Ж12 , „, „ ^ Lcp

Ток намагничивания:

2.875-Ю-3

1и тах =-- = 2А9А

1.312-10

I/jmedtu = 1.1 А I/jd = 0.8 А

Расчет силового трансформатора на сердечнике типа ПК Типоразмер сердечника ПК40х18

Эффективный магнитный путь 20.8см, эффективная площадь поперечного сечения сердечника 2.32 см , эффективный объем поперечного

3 2

сечения сердечника 46.2 см , площадь окна сердечника 16 см .

dt dt Ф(0 = B(t) ■ Sem

Ux (t) = W\ • Sem ■ Kern

dt

' 1 '

f dB =- f U, 0t)dt

J W1 • Sem ■ Kern J

—oo —oo

0

1 '

AB =-f U, (t)dt

W1 • Sem ■ Kern J0

Um ■ tu

AB =-

2-m-Sem- Kern

Um ■ tu

— _

2 • т ■ АВ ■ Кет Выведем формулу для расчета Бок

Считаем в МаЛСаё действующие значения токов, пользуясь формулой:

1д = л f/2(t)ät

\Г о 1д\ = 12ША

1д2 = 0.302А

тл 1

Swl = Snpl-Wl =—W1

J

Sw2 = Snp2-W2 = —W2

J

Id 1TZ.. Id 2 Т1Г.

_W1 ч--W1 • N

+ j j 2IÖI-WI

Sok --= —-=-

Kok KOK J • Кок

SotiScm = UmtuIdl = 17.15 • 10-8 m' AB ■ Kern • Kok ■ J

Тогда первичные витки равны:

Wl =-_= 23

2 • AB- Sem ■ Kern

W2 = 23 • 40 = 920 Считаем диаметры проводов:

¿1 = 1ЛЗл/5Г = 1.13л —= 2.25-10"3ти

V J

йг = 1 ЛЗл/52 = 1 = -Ю-3 т

Проверяем коэффициент заполнения окна:

^ 7 №\-СП2-7г + 1¥2-С122-7Г

Кок =-= 0.116

45ок

Рассчитаем индуктивность намагничивания трансформатора:

¡л-цЪ-Ъст-Кст-ЦП1

Ь/л =-= 1.ЪЪЪмГн

Ьср

Максимальное значение тока намагничивания

lfj. max = ^ =2.15

2.875-10"3 1.335-10" I/umedtu = 1.075 I/jd = 0.75

Расчет инвертора

Для расчета инвертора следует отметить, что заряд рабочей емкости должен происходить за 1 такт, частота следования импульсов должна быть в два раза ниже частоты работы тиратрона.

Емкость плеча инвертора выбирается из условия равенства энергий:

С4-и^ С6-и2сб

C4-i/"- = jfc2:

С6 U?

С 4

Накопительная емкость берется типовая 600 пФ. Выбираем 2, соединенных последовательно, конденсатора: КВИ-3 - ЮкВ - 1500пФ±20% и КВИ-3 - ЮкВ - 1000пФ±20%.

Таким образом С5=С4=970 нФ

Выбираем 5 соединенных параллельно конденсаторов К78-31 - 630В -0.15мкф±10% и один К78-31 - 630В - 0.22мкф±10%

Длительность импульса выбирается из условия равенства 0.5 коэффициента заполнения импульса на максимальной частоте (щадящий режим работы для тиратрона).

Таким образом, длительность импульса равна 10 мкс.

Индуктивность дросселя выбирается с учетом того, что к моменту окончания импульса ток дросселя должен спать до нуля (коммутация в нуле тока).

^/¿(С + С) 2-2 л ¿=16^;

С + С L = ТбмкГн

Рассчитаем количество витков. Для этого зададимся диаметром и длинной (с1=15 см, 1=2 см)

25.4Л(см) + 22.9/(си)

N_ L ■ (25.4R + 22.91)

~Л ~R2

R = 1.5см I = 2 см N = 40

Транзисторы выбираем исходя их максимального тока и обратного напряжения: SPW17N80 1д = 17A;Umax =8005 (действующее значение тока -9.86 А, максимальное напряжение не превышает 300 В) Расчет выпрямителя с Г-образным LC-фильтром Для дросселя справедливо:

1 1 ' и ^

hit) = IH +--\uL(t)dt = IH +-\VmsmM-UH)dt = IH+^\(smq>-Ku) =

l l 0 coL 0

= IH + (1 — cos ep — Kfl cp) col

Для критического режима справедливо i, (а) = О

U 2

1Н + —^(1 - cos а - Киа) = 0 при этом а = arcsin(iC„) = arcsin(—) = 0,22л-coL к

Получаем:

coL.,

Х,„ =

кр

■ Ькр D

КН

X, =0.331

lkp

RH -0.331

со

1«г = 63 мГн

Пусть коэффициент запаса равен 1.5, тогда: Ь = 9ЪмГн Выбираем дроссель: 1Ф4 752 002

Рассчитаем необходимую емкость, для этого зададимся коэффициентом пульсаций 2%. ДС/

Km =

2 U.

- Д U ■ С = Aq = Icp ■ At = J ic (<p)dep;

о

ic((p) = il((p)-IH-

Ж

I Leo Leo 2 8